Unidad 6 Electricidad

Unidad 6
Electricidad
Preparación de la unidad
Estamos acostumbrados a utilizar aparatos eléctricos sin saber cómo
funciona la electricidad. Pero, ¿por qué se enciende una bombilla cuando le
damos al interruptor? ¿Por qué es más fácil que nos dé un calambrazo si
estamos mojados? ¿Por qué los enchufes tienen dos agujeros en vez de uno?
En este tema vamos a aprender cómo funciona la electricidad, para poder
responder preguntas sobre ésta, sin sabernos la respuesta de memoria, sino
razonando sobre lo que sabemos. Vamos a aprender también a diseñar
circuitos eléctricos que hagan lo que nosotros queramos.
Nombre:
Colegio la
Presentación Baza
Curso:
Grupo:
Unidad 6: Electricidad
Curso 2012/2013
1.- INTRODUCCIÓN
Estamos acostumbrados a utilizar aparatos eléctricos sin saber cómo funciona
la electricidad. Pero, ¿por qué se enciende una bombilla cuando le damos al
interruptor? ¿Por qué es más fácil que nos dé un calambrazo si estamos
mojados? ¿Por qué los enchufes tienen dos agujeros en vez de uno? En este
tema vamos a aprender cómo funciona la electricidad, para poder responder
preguntas sobre ésta, sin sabernos la respuesta de memoria, sino razonando
sobre lo que sabemos. Vamos a aprender también a diseñar circuitos eléctricos
que hagan lo que nosotros queramos.
Para poder entender los fenómenos eléctricos debemos conocer cómo está
constituida la materia. La materia está formada por partículas muy pequeñas
llamadas átomos. A su vez, los átomos están constituidos por electrones que
se mueven alrededor de un núcleo, constituido por protones y neutrones. Los
protones y los electrones tienen una propiedad conocida como carga eléctrica.
Esta propiedad es la responsable de que ocurran
los fenómenos eléctricos.
Mientras que los neutrones no poseen carga
eléctrica, la carga de un electrón es igual a la carga
eléctrica de un protón, pero de distinto signo, y por
convenio:
Los electrones tienen carga negativa
Estructura básica de un átomo
Los protones poseen carga positiva.
En general, los materiales son neutros; es
decir existe un equilibrio entre el número
de cargas negativas (electrones) y
positivas (protones). Sin embargo, en
ciertas ocasiones los electrones pueden
moverse de un material a otro originando
cuerpos con cargas positivas (con defecto
en electrones) y cuerpos con carga
negativa (con exceso de electrones),
pudiendo actuar sobre otros cuerpos que
también están cargados.
Por tanto, para adquirir carga eléctrica, es
decir, para electrizarse, los cuerpos tienen
que ganar o perder electrones.
2
Formación de iones a partir de un átomo neutro
Departamento de Tecnología
Colegio de la Presentación
Hay materiales, como los plásticos,
en los que los electrones no se
mueven de un átomo a otro. Estos
materiales se llaman aislantes
En otros materiales, los electrones
se pueden mover con cierta
facilidad. Estos materiales se
denominan
conductores.
Son
buenos conductores los materiales
que ofrecen poca resistencia al
paso de los electrones, como por
ejemplo los metales (plata, cobre,
aluminio, etc.).
Varias tiras de metal (normalmente cobre) enroscadas
conducen la corriente, mientras que un recubrimiento
aislante evita que esta salga del cable.
●
●
●
Una característica de las cargas,
es que las cargas del mismo
signo se repelen, mientras que
las cargas con diferente signo
se atraen.
●
●
●
La corriente eléctrica se puede definir como el flujo de electrones a través
de un material conductor desde un cuerpo con carga negativa (exceso de
electrones) a un cuerpo con carga positiva (deficitario en electrones).
Ejercicios
1. Busca 3 ejemplos de materiales conductores y 3 ejemplos de aislantes.
2. Indica la carga de los siguientes átomos:
Carga= nº protones – nº electrones
4 protones y 5 electrones 9 protones y 7 electrones 7protones y 7 electrones
3. Busca información de los materiales semiconductores.
3
Unidad 6: Electricidad
Curso 2012/2013
2.- EFECTOS DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA
La corriente eléctrica causa diversos efectos sobre los elementos que
atraviesa, transformándose en otros tipos de energía. Este año estudiaremos
algunos de dichos efecto
Cuando los electrones circulan por un conductor, chocan contra las partículas
(núcleos y electrones) del material por el que circulan. De este modo la energía
que transportan se convierte en energía calorífica. Este fenómeno se conoce
con el nombre de efecto Joule.
Dicho efecto es por un lado un inconveniente,
ya que se pierde energía eléctrica al hacer
circular la corriente por cualquier conductor.
Sin embargo, puede aprovecharse en equipos
como
planchas,
hornos,
secadores,
vitrocerámicas, cafeteras y en cualquier
dispositivo eléctrico que transforma la energía
eléctrica en calor. Los elementos empleados
para producir calor a partir de la luz eléctrica
son las resistencias.
La conversión de energía eléctrica en mecánica se realiza a través de motores,
por ejemplo, en un tren eléctrico, en una batidora, en un exprimidor, en un
ventilador...
Su funcionamiento se basa en el fenómeno de
inducción electromagnética. En dicho efecto,
la corriente que pasa por un conductor genera a
su alrededor un campo electromagnético,
comportándose como un imán. Este efecto se
utiliza en los motores eléctricos, los cuales
aprovechan las fuerzas de atracción y repulsión
entre un imán y un hilo conductor enrollado
colocado en su interior. Estas fuerzas provocan
el movimiento del eje del motor.
Interior de un motor eléctrico
4
Departamento de Tecnología
Colegio de la Presentación
Al ser atravesados por la corriente, los cuerpos incrementan su temperatura. Si
este aumento es importante, los cuerpos se vuelven incandescentes, es decir,
comienzan a emitir luz. Al principio la luz es roja y a medida que sigue
aumentando la temperatura la luz tiende al blanco.
En este fenómeno de incandescencia
se basa el funcionamiento de las
bombillas convencionales, llamadas por
ello, lámparas de incandescencia. En
dichas lámparas, el filamento de
wolframio (un metal) alcanza unas
temperaturas de 2000-3000ºC al pasar
por el la corriente. Para evitar que se
queme, el filamento se encierra en una
ampolla de vidrio en la que se elimina
el
oxígeno
(haciendo
vacío
o
conteniendo una mezcla de argón y
nitrógeno).
Ejercicios
4. ¿En qué otras energías se puede convertir la energía eléctrica?
5. ¿Por qué es necesario que una bombilla tenga un gas inerte?
6. Elabora una lista con objetos que produzcan alguno de estos efectos (al
menos 4 por efecto):
7. Indica en qué tipo de energía se transforma la electricidad en los
siguientes aparatos (en algunos se transformará en varios tipos de
energía)
5
Unidad 6: Electricidad
Curso 2012/2013
3.- CORRIENTE ELÉCTRICA Y MAGNITUDES ELÉCTRICAS
Si conectamos dos elementos entre sí (por medio de un material conductor) y
uno de ellos tiene mayor carga eléctrica negativa que el otro, decimos que tiene
mayor tensión o potencial eléctrico. Una vez conectados, los electrones en
exceso de uno serán atraídos a través del hilo conductor (que permite el paso
de electrones) hacia el elemento de menor potencial, hasta que las cargas
eléctricas de los dos cuerpos se equilibren. Se trata de un fenómeno similar al
que tiene lugar cuando colocamos dos recipientes con distinto nivel de agua y
los conectamos entre sí mediante un tubo: el líquido pasa de un recipiente a
otro a través del tubo hasta que los niveles se igualan.
La corriente eléctrica se puede definir como el flujo de electrones a través
de un material conductor desde un cuerpo con carga negativa (exceso de
electrones) a un cuerpo con carga positiva (deficitario en electrones).
Por tanto, para la corriente eléctrica se produzca es necesario que entre los
extremos del conductor exista una diferencia de potencial eléctrico; es decir,
que en entre ambos extremos exista un desnivel eléctrico o tensión (V).
En una pila los electrones siempre salen de la pila por
el polo negativo (cátodo), recorren todos los elementos
del circuito y entran de nuevo en la pila, pero ahora por
el polo positivo (ánodo). Antes de que se descubriese
que la corriente eléctrica es el resultado del
movimiento de los electrones por un circuito, se
pensaba que era debida al movimiento de cargas
positivas. Los electrones circulan siempre hacia el polo
positivo (ánodo de la pila); por lo que la corriente
circulará en sentido contrario (desde el polo positivo
hacia el negativo). En la figura el sentido de la
corriente viene indicado por el sentido de las flechas.
6
Departamento de Tecnología
Colegio de la Presentación
En un circuito eléctrico aparecen siempre tres magnitudes físicas
La diferencia de potencial (d.d.p.), tensión o voltaje (V) es el trabajo que
hay que realizar para transportar una carga positiva entre dos puntos de un
circuito, es decir, mide el desnivel eléctrico entre dos puntos del circuito. Su
unidad, es el Voltio (V).
La intensidad es la cantidad de electrones que pasan por un punto del
circuito en cada segundo. Su unidad de medida es el Amperio (A).
La resistencia es la “oposición” que presenta un material a ser atravesado
por la corriente eléctrica. Su unidad de medida es el Ohmio (Ω).
En 1822 científico George Simon Ohm, relacionó la
intensidad de corriente, la tensión y la resistencia,
enunciando la ley de Ohm de la forma siguiente:
Ley de Ohm: La intensidad de corriente que
circula por un hilo conductor es directamente
proporcional a la tensión entre sus extremos e
inversamente proporcional a la resistencia
𝑉
𝐼
●
●
●
Tecnotruco
Si tapas la magnitud que deseas
calcular aparece la fórmula a
aplicar
𝐼·𝑅
𝑉
𝑅
𝑅
𝑉
𝐼
●
●
●
Ejercicio resuelto
Se conecta una resistencia de 3 kΩ a una pila de 9 V. ¿Cuál será la
intensidad que recorre el circuito?
Datos:
I=¿?
V =9 V
R=3KΩ=3000 Ω
Aplicando la ley de Ohm
R:La intensidad es de 0`003 A= 3mA
7
Unidad 6: Electricidad
Curso 2012/2013
Ejercicios
8. Un circuito eléctrico está formado por una pila de petaca de 4'5V,
una bombilla que tiene una resistencia de 90 Ω, un interruptor y los
cables necesarios para unir todos ellos. Se pide una representación
gráfica del circuito y que se calcule la intensidad de la corriente que
circulará cada vez que cerremos el interruptor.
(Sol.: 0`05 A = 50 mA)
9. En un circuito con una resistencia y una pila de 20 V circula una
corriente de 0'2 A. Calcular el valor de dicha resistencia.
(Sol.: 100 Ω)
10. Cuál será la tensión que suministra una pila sabiendo que al conectarla
a un circuito en el que hay una resistencia de 45 Ω, la intensidad es
de 0'1 A.
(Sol.: 4'5 V)
11. Completa la siguiente tabla,
Intensidad (A) Voltaje (V) Resistencia (Ω)
1`6 A
3A
4`5 A
12 V
1`5 V
9A
100 Ω
40 Ω
12 V
6V
60 Ω
250 Ω
No olvides hacer el planteamiento como si fuese un problema.
12. Se conecta una resistencia de 45 Ω a una pila de 9 V. Calcula la
intensidad de corriente que circula por el circuito.
(Sol.: 200 mA)
13. Calcula la intensidad de corriente en un circuito compuesto por una
resistencia de 1'2 KΩ y una fuente de alimentación de 12 V.
(Sol.: 100 Ω).
Aclaración: 1'2 KΩ= 1200 Ω.
14. Calcular el valor de la resistencia de una bombilla de 230 V, sabiendo
que al conectarla circula por ella una corriente de 0'20 A.
(Sol.: 1150 Ω).
8
Departamento de Tecnología
Colegio de la Presentación
15. Una resistencia de 100 Ω se conecta a una batería de 10 V. Dibuja el
esquema del circuito y calcula la intensidad de corriente que circula
por el mismo.
(Sol.: 100 mA).
16. Calcula el valor de una resistencia sabiendo que la intensidad en el
circuito es de 0,2 A y la fuente de alimentación de 10 V. Dibuja el
circuito.
(Sol: 50 Ω).
17. Por un circuito con una resistencia de 150 Ω circula una intensidad de
100 mA. Calcula el voltaje de la fuente de alimentación.
(Sol: 15 V).
18. Al circuito anterior le cambiamos la fuente de alimentación por otra
de 20V. ¿Cuál será ahora la intensidad que atraviesa la resistencia?
(Sol: 200 mA).
Aclaración: ten en cuenta que la resistencia tendrá que ser la misma,
ya que sólo se ha cambiado la fuente de alimentación.
19. ¿Cuánta resistencia le tendremos que poner a un circuito con una
fuente de alimentación de 100 V para que no circulen más de 400
mA?
(Sol: 250Ω).
9
Unidad 6: Electricidad
Curso 2012/2013
4 .- ELEMENTOS DE UN CIRCUITO ELÉCTRICO. REPRESENTACIÓN
Un circuito eléctrico es un conjunto de elementos conectados entre sí, que
permiten establecer una corriente entre dos puntos, para aprovechar la energía
eléctrica.
Todo circuito eléctrico se compone, al menos, de unos elementos mínimos
(generador, receptor y conductor). Sin embargo la en la mayoría de los
casos los circuitos suelen incorporar otros dispositivos, los elementos de
maniobra y los de protección.
Los generadores
Los generadores son los elementos que transforman cualquier forma
energía en energía eléctrica. Proveen al circuito de la necesaria diferencia
cargas entre sus dos polos o bornes (tensión), y además, son capaces
mantenerla eficazmente durante el funcionamiento del circuito. Ejemplos
ellos son las pilas y baterías y las fuentes de alimentación.
de
de
de
de
Un generador consta de dos polos, uno negativo (cátodo) y uno positivo
(ánodo). No basta con conectar un extremo del conductor al polo negativo del
que salen los electrones. Hay que conectar el otro extremo al polo positivo, al
que vuelven los electrones. Si cortamos el cable en un punto, los electrones se
detienen en todo el cable (al igual que cuando cerramos un grifo el agua se
detiene en toda la tubería).
Cuando ambos polos se unen mediante el hilo conductor, los electrones se
mueven a través de él, desde el polo negativo al polo positivo.
Los receptores
Los receptores: son los elementos encargados de convertir la energía eléctrica
en otro tipo de energía útil de manera directa, como la lumínica, la mecánica
(movimiento), calorífica, etc. Los receptores eléctricos más usuales en nuestro
taller serán las lámparas o bombillas, timbres, resistencias eléctricas,
motores....
10
Departamento de Tecnología
Colegio de la Presentación
Conductores:
Los conductores son los elementos que conectan los
distintos elementos del circuito permitiendo el flujo de
electrones.
Para transportar los electrones de un sitio a otro se
utilizan cables de metal, normalmente de cobre, y
recubiertos de plástico para que los electrones no
salgan del cable.
Elementos de Control (Maniobra):
Elementos de Protección:
Son los dispositivos usados para
dirigir o interrumpir el paso de
corriente. Los más importantes son
los interruptores, conmutadores,
pulsadores y relés.
Son los elementos encargados de
proteger al resto de los elementos
del
circuito
frente
corrientes
demasiado elevadas o frente a
derivaciones o fugas de potencia.
Son los fusibles, interruptores
diferenciales y los interruptores
magnetotérmicos.
A la hora de dibujar los circuitos
eléctricos en un plano, no se utiliza
una representación realista de los
diferentes elementos que los
componen (sería más lento y
costoso). En su lugar, utilizamos una
serie de símbolos para representar
dichos dispositivos.
11
Unidad 6: Electricidad
Curso 2012/2013
En la siguiente tabla vemos algunos de ellos, así como su función
Ejercicios
20. Dibuja el esquema eléctrico de los siguientes circuitos
12
Departamento de Tecnología
Colegio de la Presentación
13
Unidad 6: Electricidad
Curso 2012/2013
5.- CIRCUITOS BÁSICOS: SERIE, PARALELO Y MIXTO
Un CIRCUITO EN SERIE, es aquel que tiene conectados
sus receptores uno a continuación del otro. (En el circuito
de la derecha, las bombillas y la resistencia están
conectadas en serie).
Las características de este tipo de circuito son:
 Si uno de los elementos del circuito deja de funcionar el resto tampoco
funcionan.
 El voltaje de la pila se reparte entre todos los receptores conectados en
serie (por eso las bombillas brillan poco)
 La intensidad de la corriente que atraviesa cada receptor es la misma
para todos los receptores
Un CIRCUITO PARALELO, es aquel que tiene
conectados los terminales de sus receptores
unidos entre sí. (En el circuito de la derecha, las
bombillas y la resistencia están conectadas en
paralelo.)
Las características de este tipo de circuitos son:
 Si uno de los elementos deja de funcionar, el resto funciona
normalmente, como si no hubiese pasado nada.
 Todos los receptores funcionan con la misma tensión (todas las
bombillas lucen con la misma intensidad e igual a como lucirían si
estuviesen ellas solas conectadas a la batería).
 La intensidad de la corriente que genere la pila se reparte entre todos los
receptores.
Cabe citar que los elementos eléctricos de nuestras viviendas están
conectados en paralelo.
Un CIRCUITO MIXTO, es aquel que tiene
elementos en paralelo y en serie. (Por ejemplo,
las bombillas 2 y 3 están conectadas en
paralelo; al mismo tiempo que están
conectadas en serie con la 1)
14